專利名稱：多發(fā)生器風(fēng)輪機(jī)及操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風(fēng)輪機(jī)及其操作方法，其中風(fēng)輪機(jī)具有可變速轉(zhuǎn)子和多個(gè) 發(fā)生器，由控制裝置控制該風(fēng)輪機(jī)以在較高速度時(shí)增加更多的發(fā)生器并在較低 速度時(shí)關(guān)閉發(fā)生器。
現(xiàn)有技術(shù)的描述
己知有盡管通過變速箱改變風(fēng)速，但轉(zhuǎn)子速度仍保持基本上恒定的風(fēng)輪 機(jī)。但是，變速箱價(jià)格昂貴且已知會(huì)過早失效，由此致使在更換或修理變速箱 時(shí)風(fēng)輪機(jī)停機(jī)。幾種現(xiàn)有的風(fēng)輪機(jī)具有葉片上的制動(dòng)系統(tǒng)，從而盡管風(fēng)況變化 都可保持葉片的速度基本上恒定。但是，制動(dòng)系統(tǒng)通常會(huì)磨損并需要更換。此 外，由于要消耗能量來運(yùn)行制動(dòng)系統(tǒng)以保持速度恒定，所以制動(dòng)系統(tǒng)可能是運(yùn) 行風(fēng)輪機(jī)的低效方式。還已知將偏轉(zhuǎn)控制器和螺距控制器用在風(fēng)輪機(jī)上來輔助 以基本上恒定的速度來運(yùn)行風(fēng)輪機(jī)。以基本上恒定速度運(yùn)行現(xiàn)有渦輪的目的是 能夠在風(fēng)輪機(jī)的輸出處產(chǎn)生其頻率使輸出電力能夠傳輸?shù)诫娋W(wǎng)的交流電流。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種風(fēng)輪機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)管理通過該機(jī)構(gòu)傳輸?shù)?扭矩，使得不會(huì)達(dá)到高于設(shè)計(jì)水平的扭矩和高于設(shè)計(jì)水平的扭矩變化率。本發(fā) 明的另一目的是提供一種風(fēng)輪機(jī)，其具有可變速轉(zhuǎn)子和多個(gè)發(fā)生器，具有控制 裝置以響應(yīng)于通過監(jiān)測(cè)與風(fēng)輪機(jī)相關(guān)的各種參數(shù)來確定的風(fēng)速和風(fēng)向的變化 啟用和停用各發(fā)生器。本發(fā)明的又一目的是控制風(fēng)輪機(jī)的螺距和偏轉(zhuǎn)以及多個(gè) 發(fā)生器，多個(gè)發(fā)生器能夠產(chǎn)生寬范圍的電力，具有能夠通過在扭矩超過預(yù)定值 時(shí)使部件之間滑動(dòng)以避免扭矩峰值的摩擦聯(lián)接機(jī)械驅(qū)動(dòng)部件。本發(fā)明的又一目 的是在極端天氣條件下通過使用制動(dòng)系統(tǒng)控制風(fēng)輪機(jī)的速度來關(guān)閉風(fēng)輪機(jī)。一種風(fēng)輪機(jī)包括安裝在轉(zhuǎn)子上的多個(gè)葉片，轉(zhuǎn)子具有可轉(zhuǎn)動(dòng)軸，可轉(zhuǎn)動(dòng)軸 具有從其向外延伸的驅(qū)動(dòng)輪。當(dāng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪隨著軸和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子
具有寬的速度范圍。多個(gè)輪與驅(qū)動(dòng)輪連續(xù)可轉(zhuǎn)動(dòng)接觸，各輪連接成驅(qū)動(dòng)多個(gè)發(fā) 生器以產(chǎn)生能量。風(fēng)輪機(jī)具有用于控制葉片速度的各種裝置，包括選自螺距、 偏轉(zhuǎn)和制動(dòng)器構(gòu)成的組中的至少兩個(gè)。控制裝置連接成基于葉片的速度在零個(gè) 發(fā)生器至所有發(fā)生器之間控制產(chǎn)生能量的發(fā)生器的數(shù)量，同時(shí)控制螺距、偏轉(zhuǎn) 和制動(dòng)器中的至少兩個(gè)并監(jiān)測(cè)與葉片速度相關(guān)的參數(shù)。
一種風(fēng)輪機(jī)包括安裝在轉(zhuǎn)子上的多個(gè)葉片，轉(zhuǎn)子具有可轉(zhuǎn)動(dòng)軸，可轉(zhuǎn)動(dòng)軸 具有從其向外延伸的驅(qū)動(dòng)輪。當(dāng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪隨著軸和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子
具有寬的速度范圍。多個(gè)輪與驅(qū)動(dòng)輪連續(xù)可轉(zhuǎn)動(dòng)接觸。各輪連接成驅(qū)動(dòng)多個(gè)發(fā) 生器以產(chǎn)生電。風(fēng)輪機(jī)不具有變速箱且變速運(yùn)行以從各發(fā)生器產(chǎn)生可與電網(wǎng)同 步的電力。
一種運(yùn)行風(fēng)輪機(jī)的方法使用安裝到轂上以形成轉(zhuǎn)子的多個(gè)葉片。轉(zhuǎn)子安裝 在軸上，軸上具有驅(qū)動(dòng)輪。多個(gè)輪與驅(qū)動(dòng)輪可轉(zhuǎn)動(dòng)接觸，各輪連接成驅(qū)動(dòng)多個(gè) 發(fā)生器以產(chǎn)生電。風(fēng)輪機(jī)具有用于控制轉(zhuǎn)子速度的各種裝置，包括選自螺距控 制器、偏轉(zhuǎn)控制器和制動(dòng)器構(gòu)成的組中的至少兩個(gè)?？刂蒲b置連接成基于轉(zhuǎn)子 的速度控制發(fā)電的發(fā)生器的數(shù)量。該方法包括將控制裝置編程成監(jiān)測(cè)風(fēng)速、風(fēng) 向、轉(zhuǎn)子速度、偏轉(zhuǎn)方向、制動(dòng)器和螺距之一、發(fā)生器的數(shù)量、當(dāng)前發(fā)電的發(fā) 生器的數(shù)量和轉(zhuǎn)子軸的扭矩。開始啟動(dòng)，當(dāng)在預(yù)定最短時(shí)段內(nèi)的平均風(fēng)速在 運(yùn)行范圍內(nèi)時(shí)控制裝置松開轉(zhuǎn)子以進(jìn)行加速。當(dāng)轉(zhuǎn)子達(dá)到所要求的最小速度 時(shí)，控制裝置對(duì)第一發(fā)生器施加負(fù)載，當(dāng)轉(zhuǎn)子軸的扭矩乘以發(fā)生器的總數(shù)除以 啟用發(fā)生器的數(shù)量大于用于分階段引入添加的發(fā)生器的預(yù)定最小扭矩時(shí)，控制 裝置分階段引入不同的發(fā)生器。當(dāng)轉(zhuǎn)子軸的扭矩乘以發(fā)生器的總數(shù)除以啟用發(fā) 生器的數(shù)量小于用于分階段停用一個(gè)發(fā)生器所需要的預(yù)定最小扭矩時(shí)，控制裝 置分階段停用一個(gè)發(fā)生器。控制裝置根據(jù)轉(zhuǎn)子軸的扭矩和發(fā)電的發(fā)生器的數(shù)量 根據(jù)需要分階段引入和停用各發(fā)生器。當(dāng)轉(zhuǎn)子軸的扭矩在運(yùn)行一個(gè)發(fā)生器的預(yù) 定最小值以下時(shí)，控制裝置分階段停用最后的啟用發(fā)生器并停止轉(zhuǎn)子和各發(fā)生 器。當(dāng)預(yù)定時(shí)間內(nèi)平均風(fēng)速大于最大預(yù)定風(fēng)速時(shí)，控制裝置停止轉(zhuǎn)子并分階段 停用所有發(fā)生器，當(dāng)風(fēng)速增加到運(yùn)行范圍內(nèi)時(shí)，控制裝置對(duì)添加的發(fā)生器施加負(fù)載，且在風(fēng)速減小到運(yùn)行范圍內(nèi)時(shí)從添加的發(fā)生器去除負(fù)載?？刂蒲b置在從 需要運(yùn)行一個(gè)發(fā)生器所需要的最小轉(zhuǎn)子速度至運(yùn)行所有發(fā)生器所需要的最大 轉(zhuǎn)子速度的寬范圍內(nèi)運(yùn)行輪機(jī)以產(chǎn)生能量。
一種運(yùn)行風(fēng)輪機(jī)方法，其中風(fēng)輪機(jī)具有安裝到轂上以形成轉(zhuǎn)子的多個(gè)葉 片。轉(zhuǎn)子安裝在軸上，軸上具有驅(qū)動(dòng)輪。多個(gè)輪與驅(qū)動(dòng)輪可轉(zhuǎn)動(dòng)接觸。各輪連 接成驅(qū)動(dòng)多個(gè)發(fā)生器以產(chǎn)生電，風(fēng)輪機(jī)具有控制轉(zhuǎn)子速度的各種裝置。該方法 包括將控制裝置連接成監(jiān)測(cè)與風(fēng)速和風(fēng)向以及驅(qū)動(dòng)輪的速度相關(guān)的若干參數(shù)， 將控制裝置連接成響應(yīng)于一個(gè)或多個(gè)參數(shù)的變化調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)、螺距、制動(dòng)器以及 發(fā)電的發(fā)生器的數(shù)量中的一個(gè)或多個(gè)，將控制裝置編程成調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)、螺距以及 制動(dòng)器中的任何兩個(gè)以控制驅(qū)動(dòng)輪的速度，并在驅(qū)動(dòng)輪的速度分別增加和減小 時(shí)增加和減小發(fā)電的發(fā)生器的數(shù)量。
提供一種運(yùn)行風(fēng)輪機(jī)方法，其中風(fēng)輪機(jī)包括安裝到轂上以形成轉(zhuǎn)子的多個(gè) 葉片。轉(zhuǎn)子安裝在軸上，軸上具有驅(qū)動(dòng)輪。多個(gè)輪與驅(qū)動(dòng)輪可轉(zhuǎn)動(dòng)接觸，各輪 連接成驅(qū)動(dòng)多個(gè)發(fā)生器以產(chǎn)生電。風(fēng)輪機(jī)具有用于控制轉(zhuǎn)子速度的各種裝置， 各發(fā)生器連接到電源以使各發(fā)生器像電動(dòng)機(jī)那樣運(yùn)行。該方法包括將控制裝置 連接成監(jiān)測(cè)與風(fēng)速、風(fēng)向以及驅(qū)動(dòng)輪的速度相關(guān)的若干參數(shù)，將控制裝置連接 成響應(yīng)于一個(gè)或多個(gè)參數(shù)的變化調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)、螺距、制動(dòng)器、發(fā)生器扭矩需求以 及發(fā)電的發(fā)生器的數(shù)量中的一個(gè)或多個(gè)，將控制裝置編程成確定何時(shí)風(fēng)速足以 轉(zhuǎn)動(dòng)葉片，但不足以克服啟動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)所需要的力。然后該控制裝置向各發(fā)生 器供電并使各發(fā)生器像電動(dòng)機(jī)那樣運(yùn)行以啟動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)葉片，直到風(fēng)輪機(jī)達(dá)到運(yùn)行 速度范圍為止。
提供一種運(yùn)行風(fēng)輪機(jī)方法，其中風(fēng)輪機(jī)包括安裝到轂上以形成轉(zhuǎn)子的多個(gè) 葉片。轉(zhuǎn)子安裝在軸上，軸上具有驅(qū)動(dòng)輪。多個(gè)輪與驅(qū)動(dòng)輪可轉(zhuǎn)動(dòng)接觸，各輪 連接成驅(qū)動(dòng)多個(gè)發(fā)生器以產(chǎn)生電，各發(fā)生器能夠以高達(dá)150%的扭矩需求運(yùn)行。 風(fēng)輪機(jī)具有用于控制轉(zhuǎn)子速度的各種裝置，風(fēng)輪機(jī)具有控制裝置以監(jiān)測(cè)與風(fēng)
速、風(fēng)向以及驅(qū)動(dòng)輪的速度相關(guān)的若干參數(shù)。該方法包括將控制裝置編程成使
用各發(fā)生器作為具有高達(dá)15()Q^扭矩需求的電制動(dòng)器，以停止風(fēng)輪機(jī)并在風(fēng)輪
機(jī)停止后中斷扭矩需求。
提供一種運(yùn)行風(fēng)輪機(jī)方法，其中風(fēng)輪機(jī)包括安裝到轂上以形成轉(zhuǎn)子的多個(gè)葉片。轉(zhuǎn)子安裝在軸上，軸上具有驅(qū)動(dòng)輪。多個(gè)輪與驅(qū)動(dòng)輪可轉(zhuǎn)動(dòng)接觸，各輪 連接成驅(qū)動(dòng)多個(gè)發(fā)生器以產(chǎn)生電。風(fēng)輪機(jī)具有用于控制轉(zhuǎn)子速度的各種裝置， 風(fēng)輪機(jī)具有控制裝置以監(jiān)測(cè)與風(fēng)速、風(fēng)向以及驅(qū)動(dòng)輪的速度相關(guān)的若干參數(shù)。 該方法包括將控制裝置編程成以高于額定的負(fù)載的扭矩需求使用各發(fā)生器以 克服否則會(huì)將轉(zhuǎn)子速度增加到最大運(yùn)行速度以上的陣風(fēng)。


圖1是從前面看時(shí)風(fēng)輪機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一部分的局部立體圖； 圖2是從后面看時(shí)風(fēng)輪機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一部分的局部立體圖； 圖3是風(fēng)輪機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖； 圖4是摩擦驅(qū)動(dòng)輪的立體圖5是示出與驅(qū)動(dòng)輪接觸的可轉(zhuǎn)動(dòng)輪胎的摩擦驅(qū)動(dòng)輪的側(cè)視圖； 圖6是輪胎承載件的立體圖7是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成交流電的功率電子系統(tǒng)的示意性框圖；以及 圖8是施密特聯(lián)接器的立體圖。
具體實(shí)施例方式
在圖1和2中，風(fēng)輪機(jī)(圖1和2中未示出)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2具有可轉(zhuǎn)動(dòng)地 安裝在軸承6、 8內(nèi)的軸4。軸承6、 8安裝在主框架12的底板10內(nèi)。軸4具 有從其向外延伸的驅(qū)動(dòng)輪14，驅(qū)動(dòng)輪14隨著軸4轉(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)輪14具有圍繞其 周界延伸的軌道16，軌道16較佳地具有平行于所述軸的縱向軸線的內(nèi)表面。 有可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝成與所述軌道持續(xù)接觸的多個(gè)輪18，所述多個(gè)輪隨著所述軌道 轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。較佳的是，各輪與所述軌道摩擦接觸。各輪18各具有連接到發(fā) 生器22的機(jī)械驅(qū)動(dòng)器20。較佳地有多個(gè)發(fā)生器22，且更佳地對(duì)每個(gè)輪18有 一個(gè)發(fā)生器22。在圖1和2中，有四個(gè)輪18、四個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)20和四個(gè)發(fā)生器 22，圖1中僅示出其中三個(gè)。較佳的是，發(fā)生器是電發(fā)生器，且每個(gè)發(fā)生器具 有開/關(guān)切換器，該轉(zhuǎn)換器由控制裝置控制以使每個(gè)發(fā)生器發(fā)電或防止每個(gè)發(fā)生 器獨(dú)立于其它發(fā)生器發(fā)電。由于各輪18與軌道16連續(xù)接觸。所以各輪18和 用于 輪18的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)20隨著軌道16轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。四個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的每一個(gè)都包括萬向接頭21 (見圖2)。各發(fā)生器也會(huì)隨著軌道轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，但開/
關(guān)切換器使每個(gè)發(fā)生器能夠根據(jù)要求加載或卸載。輪、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和發(fā)生器的數(shù)
量可變化成多于或少于圖1和2中所示的數(shù)量。驅(qū)動(dòng)輪14的直徑顯著小于所 述葉片的直徑。
較佳的是，發(fā)生器是永磁水冷卻發(fā)生器，具有連接的用以冷卻發(fā)生器的發(fā) 生器熱交換器24。在主框架12下方，設(shè)有偏轉(zhuǎn)軸承25。盡管軌道16是較佳 的，但各輪可定向成與驅(qū)動(dòng)輪14的其它部分接觸，并可去除軌道16。
制動(dòng)盤26從軸4向外延伸。制動(dòng)盤26在兩制動(dòng)鉗28之間延伸，主框架 12的每側(cè)上設(shè)有一個(gè)制動(dòng)鉗。制動(dòng)鉗28和制動(dòng)盤26形成連接到控制裝置(圖 l和2中未示出)的制動(dòng)系統(tǒng)。各發(fā)生器，且具體地是每個(gè)發(fā)生器的開/關(guān)切換 器也連接到控制裝置(圖1中未示出)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2安裝在具有基板31的機(jī) 艙29 (僅示出其一部分)內(nèi)。
在圖3中，示出本發(fā)明的風(fēng)輪機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的另一實(shí)施例的示意圖。風(fēng)輪 機(jī)30具有安裝到可轉(zhuǎn)動(dòng)軸4上的葉片，可轉(zhuǎn)動(dòng)軸4安裝在軸承6、 8內(nèi)。較佳 的是，軸承6是推力軸承。風(fēng)輪機(jī)30安裝在塔架34上，塔架具有支承機(jī)艙機(jī) 構(gòu)36的偏轉(zhuǎn)軸承25。塔架支承在安裝在地面40內(nèi)的基座38內(nèi)。制動(dòng)盤26 通過制動(dòng)鉗(圖3中未示出)減速。驅(qū)動(dòng)輪14具有從其周界向外延伸的軌道 16。圖3中僅示出四個(gè)輪18、機(jī)械驅(qū)動(dòng)器20和發(fā)生器22中的一個(gè)。較佳的是， 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括施密特聯(lián)接器。當(dāng)由各輪驅(qū)動(dòng)的各軸與發(fā)生器的各軸錯(cuò)開時(shí)，施 密特聯(lián)接器使各輪仍能夠驅(qū)動(dòng)發(fā)生器。輪胎承載件44上的螺旋彈簧42確保當(dāng) 軌道16隨著驅(qū)動(dòng)輪14轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輪18與軌道16保持接觸。每個(gè)發(fā)生器22通 過電纜46連接到功率電子系統(tǒng)48，功率電子系統(tǒng)48包括監(jiān)測(cè)各種參數(shù)并控制 該系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)控制裝置。可使用萬向接頭或CV (恒速)軸來代替施密 特聯(lián)接器。施密特聯(lián)接器由輪的輸出軸和發(fā)生器的輸入軸上的兩個(gè)x表示。
在圖4中，示出驅(qū)動(dòng)輪14和軌道16的立體圖。在圖5中，示出驅(qū)動(dòng)輪 14的側(cè)視圖，該驅(qū)動(dòng)輪14具有與軌道16接觸的四個(gè)輪18。各輪18可轉(zhuǎn)動(dòng)地 安裝在輪承載件44內(nèi)。圖6是輪承載件44的立體圖。輪承載件通過彈簧底座 (圖6中未示出)沿所示定向向下轉(zhuǎn)動(dòng)以保持輪18與軌道(圖6中未示出) 穩(wěn)固接觸。圖7是其中風(fēng)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)動(dòng)軸4的系統(tǒng)的功率電子系統(tǒng)部分的示 意性框圖。軸4間接地驅(qū)動(dòng)永磁三相發(fā)生器，該發(fā)生器向受控整流器發(fā)送電力 輸出。受控整流器控制直流線路電壓，且來自整流器的輸出被傳輸?shù)绞芸啬孀?器。如果輸出要連接到電網(wǎng)，則受控逆變器控制輸出電壓、頻率和功率。根據(jù) 需要，來自受控逆變器的輸出是所需要的60赫茲三相電壓或50赫茲三相電壓。
在圖8中，示出施密特聯(lián)接器50的立體圖，該聯(lián)接具有通過樞轉(zhuǎn)連桿54 連接的三個(gè)盤52，在一端具有輸入軸56且在相反端具有輸出軸58。施密特聯(lián) 接器是常規(guī)的并在輸入軸與輸出軸錯(cuò)開時(shí)和兩軸彼此對(duì)準(zhǔn)時(shí)使輸入軸能夠驅(qū) 動(dòng)輸出軸。對(duì)于本發(fā)明，各輪上較佳地具有輪胎，且各輪胎由于使用而磨損。 因此，輸入軸從輪到施密特聯(lián)接器的對(duì)準(zhǔn)會(huì)隨著時(shí)間變化。對(duì)于對(duì)準(zhǔn)的變化， 施密特聯(lián)接器會(huì)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整以驅(qū)動(dòng)所連接的輸出軸，從而驅(qū)動(dòng)發(fā)生器。還有 將輪的輸出軸聯(lián)接到發(fā)生器的輸出軸以調(diào)節(jié)對(duì)準(zhǔn)變化的其它裝置。使用可調(diào)節(jié) 加載機(jī)構(gòu)來安裝各輪，從而使用彈簧、氣動(dòng)裝置和/或液壓裝置來對(duì)軌道施加壓 力。
每個(gè)風(fēng)輪機(jī)設(shè)計(jì)成具有最佳梢速比，且控制裝置較佳地連接并編程成對(duì)于 范圍從每秒3米至每秒25米的風(fēng)速，更佳地以從每秒4米至每秒25米的風(fēng)速， 基本上以最佳梢速比運(yùn)行風(fēng)輪機(jī)。梢速比等于葉片的梢速除以風(fēng)速。盡管各發(fā) 生器可以是不發(fā)電的類型，但電發(fā)生器是較佳的。
風(fēng)輪機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)管理通過該機(jī)構(gòu)傳輸?shù)呐ぞ?，使得不?huì)達(dá)到高于設(shè)計(jì)水平 的扭矩和高于設(shè)計(jì)水平的扭矩變化率?？墒褂枚鄠€(gè)特征來實(shí)現(xiàn)扭矩管理。這些 特征包括以下特征
可變速轉(zhuǎn)子和發(fā)生器運(yùn)行使風(fēng)能能夠存儲(chǔ)在轉(zhuǎn)動(dòng)部件內(nèi)。對(duì)于現(xiàn)代風(fēng)輪 機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)葉片代表主轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。通過使來自陣風(fēng)的能量能夠暫時(shí)儲(chǔ)存在轉(zhuǎn)動(dòng)葉 片的動(dòng)能中，可降低由機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)歷的扭矩變化。為相對(duì)時(shí)間的平均風(fēng) 速設(shè)置上限，超過該上限則風(fēng)輪機(jī)停機(jī)。但是，對(duì)于可變速機(jī)器，通過這種方 法的能量儲(chǔ)存可以是幾乎瞬時(shí)的。
風(fēng)輪機(jī)葉片的螺距控制能夠優(yōu)化葉片的螺距角以適應(yīng)風(fēng)速變化，從而在該 速度下收集最優(yōu)動(dòng)力。螺距控制還能夠降低風(fēng)速增加時(shí)轉(zhuǎn)子的動(dòng)力容量。螺距 控制是相對(duì)快速的。但是，陣風(fēng)可能發(fā)生得比螺距控制的響應(yīng)更快。在陣風(fēng)間隔期間，當(dāng)風(fēng)速變化較快而螺距控制不能保持同步時(shí)，也可使用其它控制方法 管理扭矩來保持設(shè)計(jì)水平。慣性能量儲(chǔ)存足以使不匹配期間來自陣風(fēng)的所有過 量動(dòng)力儲(chǔ)存在慣量內(nèi)。
功率電子系統(tǒng)(PE)使該系統(tǒng)能夠進(jìn)行變速運(yùn)行，且還對(duì)電網(wǎng)傳送同步
的電能(根據(jù)位置可選地為60Hz或50Hz) 。 PE還使各發(fā)生器能夠與具有其 它發(fā)生器的電網(wǎng)同步。此外，PE通過控制發(fā)生器上的負(fù)載(和反向扭矩)來 控制機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上的扭矩。PE控制非常快速，且例如可在幾個(gè)循環(huán)內(nèi)(對(duì) 于60Hz， 16ms/循環(huán))作出反應(yīng)。PE控制方法識(shí)別風(fēng)輪機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)(其慣量、 螺距設(shè)定以及風(fēng)速)并控制電力的產(chǎn)生，從而有助于控制風(fēng)輪機(jī)內(nèi)的扭矩。
多個(gè)小型發(fā)生器能夠相對(duì)高效地產(chǎn)生寬范圍的電力。例如，具有六個(gè)發(fā)生 器的1.5MW風(fēng)輪機(jī)，每個(gè)發(fā)生器具有250KW容量，并可在低風(fēng)量時(shí)以250KW 的功率水平運(yùn)行，用單個(gè)發(fā)生器全額定功率運(yùn)行，這也是其最佳效率點(diǎn)。當(dāng)風(fēng) 速增加時(shí)，其它發(fā)生器開始運(yùn)行，在較寬風(fēng)速范圍內(nèi)保持總的高發(fā)電效率。當(dāng) 平均風(fēng)速增加時(shí)使其它發(fā)生器上線運(yùn)行有助于管理機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所承受的平 均扭矩。當(dāng)風(fēng)速降低時(shí)，響應(yīng)于相對(duì)時(shí)間的平均風(fēng)速停掉一個(gè)或多個(gè)發(fā)生器使 其不發(fā)電，從而使最少數(shù)量的發(fā)生器較佳地發(fā)電。
各輪與軌道接觸地轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦聯(lián)接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使得當(dāng)扭矩超過預(yù)定水平時(shí)， 能夠通過摩擦部件之間的滑動(dòng)來避免扭矩峰值。機(jī)械動(dòng)力通過各輪在軌道上滑 動(dòng)時(shí)滑動(dòng)期間的摩擦生熱而耗散。這表示效率損失，但也表示安全限度。不受 以上控制方法管理的陣風(fēng)驅(qū)動(dòng)扭矩通過發(fā)生滑動(dòng)時(shí)摩擦生熱而耗散。該安全系 統(tǒng)是瞬時(shí)的，但只在發(fā)生大扭矩過載時(shí)才會(huì)運(yùn)行。由于與摩擦部件的磨損相關(guān) 的能量耗散和效率損失，該摩擦安全特征不用作常規(guī)控制特征。此外，該特征 使發(fā)生設(shè)備的每個(gè)單元能夠獨(dú)立運(yùn)行(獨(dú)立的加載路徑)；因此發(fā)生設(shè)備的一 個(gè)單元(例如， 一個(gè)發(fā)生器)可失效而不會(huì)影響發(fā)生設(shè)備的其它單元的有效性。
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)較佳地為包含摩擦機(jī)械動(dòng)力傳動(dòng)部件以提供所要求的最終扭矩 限制的簡單機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；較佳地多個(gè)永磁發(fā)生器允許相對(duì)低速、變速運(yùn)行， 并能夠以高發(fā)生器效率運(yùn)行(其它類型的電發(fā)生器，例如感應(yīng)發(fā)電機(jī)、或由摩 擦機(jī)械動(dòng)力傳動(dòng)或通過小型變速箱直接驅(qū)動(dòng)的雙饋送發(fā)電機(jī))；功率電子系統(tǒng) 處理產(chǎn)生的可變交流電并管理風(fēng)輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)扭矩。如圖1所示，該系統(tǒng)較佳地具有以下系統(tǒng)和部件 -風(fēng)輪驅(qū)動(dòng)器 -主軸和軸承 -摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)械部件 -驅(qū)動(dòng)輪 -輪胎
-輪胎承載件 -輪胎加載機(jī)構(gòu) -輪胎至發(fā)生器連桿
-主制動(dòng)器(包括制動(dòng)器液壓控制系統(tǒng)) -發(fā)生器和發(fā)生器冷卻系統(tǒng) -功率電子系統(tǒng) -控制系統(tǒng) -數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng) -WT系統(tǒng)的平衡
-轉(zhuǎn)子(如果適用，包括梢制動(dòng)器和螺距系統(tǒng))
-偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)(包括偏轉(zhuǎn)軸承、制動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)和控制器)
-機(jī)艙(包括基板、挺桿起重機(jī)、進(jìn)入平臺(tái)和封殼)
-塔架和基座
-電氣系統(tǒng)(包括電動(dòng)機(jī)控制中心、UPS、主斷路器以及到電網(wǎng)的連接) 可對(duì)風(fēng)輪機(jī)進(jìn)行各種變型。例如，摩擦驅(qū)動(dòng)輪可位于轉(zhuǎn)子和摩擦驅(qū)動(dòng)器(例 如，各輪)緊接著的后面且電發(fā)生器位于機(jī)艙的內(nèi)部，如圖2所示。該布置會(huì) 減少所需要的軸承的數(shù)量，且制動(dòng)系統(tǒng)將安裝在主軸的后端上。
可增加或減少摩擦驅(qū)動(dòng)器的數(shù)量以符合所要求的額定功率和電發(fā)生器的 規(guī)格。
主軸和軸承為轉(zhuǎn)子提供支承并將扭矩從轉(zhuǎn)子傳送到機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的其余 部分。主軸還提供從主制動(dòng)盤和制動(dòng)鉗到諸如轉(zhuǎn)子和驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)部件的扭矩 路徑。
主制動(dòng)器設(shè)置成停止并固定轉(zhuǎn)子和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。制動(dòng)系統(tǒng)較佳地位于低速軸4上，從而降低對(duì)發(fā)電部件的制動(dòng)效果。該制動(dòng)系統(tǒng)也可安裝在發(fā)電部件的高 速軸上，但這會(huì)在制動(dòng)期間使各發(fā)電部件經(jīng)受扭矩漂移。
主制動(dòng)器應(yīng)當(dāng)在任何非運(yùn)行的風(fēng)況下(例如，在一模型中運(yùn)行的風(fēng)速為4
至25m/s，在另一模型中為2m/s至50m/s，以及在又一模型中為3至25m/s) 和在任何發(fā)生器失效的情況下在幾秒內(nèi)使轉(zhuǎn)子停止。在任何類型的緊急情況 下，將啟動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)以使風(fēng)輪機(jī)安全停止?？稍O(shè)置幾個(gè)緊急停機(jī)按鈕以使操作 者/維修人員能夠在緊急情況下或?qū)︼L(fēng)輪機(jī)進(jìn)行維修時(shí)安全地使風(fēng)輪機(jī)停止。
該設(shè)計(jì)利用用于主制動(dòng)器的液壓釋放、彈簧致動(dòng)系統(tǒng)。但也可使用其它類 型的致動(dòng)系統(tǒng)，例如液壓、氣動(dòng)、機(jī)械或電氣制動(dòng)器。選擇該方法以提供所要 求的制動(dòng)并使主制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)風(fēng)輪機(jī)啟動(dòng)電源的要求最小。主制動(dòng)器的液壓系統(tǒng) 包括泵和蓄壓器以保持系統(tǒng)壓力并確保在風(fēng)輪機(jī)待機(jī)時(shí)系統(tǒng)受壓。該制動(dòng)器將 彈簧加載以補(bǔ)償(close on)控制電力的損失或液壓的損失。液壓系統(tǒng)中電磁 閥的致動(dòng)會(huì)使液壓能夠松開制動(dòng)器。將設(shè)置單獨(dú)的控制閥。通過控制控制閥位 置，該系統(tǒng)液壓可變且因此該制動(dòng)器壓力(以及制動(dòng)器耗散的能量)可變。該 制動(dòng)系統(tǒng)可用作控制提供給發(fā)電部件的能量的裝置。
制動(dòng)盤位于主軸上。從維護(hù)方面看，較佳的是將制動(dòng)盤放置在驅(qū)動(dòng)輪外部， 使得其可方便地拆除以進(jìn)行維護(hù)。如上所述，制動(dòng)系統(tǒng)也可位于高速軸上。制
動(dòng)鉗和液壓致動(dòng)系統(tǒng)將由機(jī)艙基板支承。
摩擦驅(qū)動(dòng)器使用由風(fēng)輪機(jī)的主軸直接驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)輪或軌路。因此該驅(qū)動(dòng)輪 以與風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)子相同的速度轉(zhuǎn)動(dòng)。該驅(qū)動(dòng)輪可設(shè)計(jì)成具有不同的布置，使輪胎 在軌道的內(nèi)側(cè)和外側(cè)上運(yùn)行或在軌道的外側(cè)上運(yùn)行。此外，能夠?qū)Ⅱ?qū)動(dòng)輪設(shè)計(jì) 成各輪胎垂直于其運(yùn)行且不要求平行于軸4的縱向軸線的軌道。驅(qū)動(dòng)輪由碳鋼、 不銹鋼或任何適當(dāng)?shù)墓こ滩牧现瞥?。?qū)動(dòng)輪可設(shè)計(jì)成制造成金屬部分的焊件， 鑄件或者形成為具有纖維加固復(fù)合材料。各輪胎跨騎在驅(qū)動(dòng)輪上。驅(qū)動(dòng)輪和輪 胎組合的尺寸設(shè)置成實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速增加，需要該轉(zhuǎn)速增加來將風(fēng)輪機(jī)到轉(zhuǎn)子的速度 增加到電發(fā)生器的速度。盡管各輪較佳地為輪胎，但也可使用其它輪設(shè)計(jì)，包 括具有鏈輪的輪，鏈輪配裝在軌道內(nèi)適當(dāng)開口內(nèi)。當(dāng)使用具有鏈輪的輪時(shí)，不 會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，而在某些情況下的滑動(dòng)是較佳的。
各輪胎用于將動(dòng)力從驅(qū)動(dòng)輪傳輸?shù)桨l(fā)生器。也可使用像金屬輪那樣的利用摩擦的其它裝置來將動(dòng)力從驅(qū)動(dòng)輪傳輸?shù)桨l(fā)生器。在驅(qū)動(dòng)輪與"輪胎"之間是 摩擦聯(lián)接。使用輪胎來提供多個(gè)輪式電動(dòng)運(yùn)輸裝置內(nèi)的摩擦驅(qū)動(dòng)聯(lián)接。
各輪胎將在極端扭矩負(fù)載(超過輪胎標(biāo)稱負(fù)載乘以輪胎與驅(qū)動(dòng)輪之間的摩 擦系數(shù)的扭矩負(fù)載)下打滑。打滑是不正常狀態(tài)。除非是對(duì)于極端過載情況， 否則預(yù)期不發(fā)生滑。通過控制發(fā)生器負(fù)載，打滑事件之后可以恢復(fù)滾動(dòng)。在打 滑期間，預(yù)期會(huì)有一些輪胎磨損，但預(yù)期不會(huì)有輪胎失效。各輪胎較佳地為實(shí) 心輪胎(即沒有空氣)。
各輪胎固定在"輪胎承載件"內(nèi)，輪胎承載件保持輪胎定心并對(duì)輪胎軸提 供支承。該承載件會(huì)固定輪胎輪軸、其軸承(其中一個(gè)軸承必須是推力軸承以 將軸保持在位)、以及彈簧套。(見圖5)。
如果需要，輪胎承載件可設(shè)計(jì)成支承一個(gè)以上輪胎以傳輸更大的扭矩。輪 胎承載件將鉸接成從接觸點(diǎn)向上轉(zhuǎn)動(dòng)并將由使負(fù)載反作用于機(jī)艙基板的結(jié)構(gòu) 支承?；蛘?，可采用C形夾形式的輪胎承載件，該C形夾將驅(qū)動(dòng)輪夾在兩輪 胎之間， 一個(gè)輪胎在內(nèi)部軌道上滾動(dòng)而一個(gè)輪胎在外部軌道上滾動(dòng)。
如果輪胎失效，則縮回和行進(jìn)限制連桿會(huì)限制輪的行進(jìn)，并使輪能夠縮回 以進(jìn)行維護(hù)。輪胎承載件會(huì)考慮到輪胎磨損、由于季節(jié)溫度變化產(chǎn)生的熱生長 以及驅(qū)動(dòng)輪的制造公差，允許進(jìn)行足夠的行進(jìn)以使輪胎與驅(qū)動(dòng)輪保持接觸。
各輪胎與驅(qū)動(dòng)輪配合并一直被加載。功率電子系統(tǒng)用于通過控制開/關(guān)切 換器來加載和卸載發(fā)生器，使各輪胎一直與驅(qū)動(dòng)輪配合。如果僅在需要向相應(yīng) 的電發(fā)生器提供動(dòng)力時(shí)將輪胎配合，則可消除輪胎與驅(qū)動(dòng)輪初始接觸期間可能 發(fā)生的輪胎的打滑。
輪胎加載機(jī)構(gòu)確保在正常操作期間所遇見的情況范圍期間在輪胎上保持 足夠的負(fù)載。
較佳地考慮熱膨脹、輪胎磨損、驅(qū)動(dòng)輪脫開、以及驅(qū)動(dòng)輪撓曲對(duì)有效輪胎 負(fù)載的影響。此外，如上所述，加載機(jī)構(gòu)必須考慮到使用中易于遇見的摩擦系 數(shù)范圍來提供足夠的余量。加載機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)使得不需要進(jìn)行加載機(jī)構(gòu)的頻率調(diào) 節(jié)。
各發(fā)生器較佳地由各輪胎軸以輪胎轉(zhuǎn)速直接驅(qū)動(dòng)。(能夠在輪胎軸與發(fā)生 器軸之間使用小型變速箱來將速度增加到發(fā)生器所要求的速度，但不允使用小型發(fā)生器)。然而，盡管將發(fā)生器錨固到機(jī)艙基板，但輪軸和輪胎必須相對(duì)于 驅(qū)動(dòng)輪中心可自由徑向行進(jìn)。(輪胎必須可自由徑向行進(jìn)以保持所要求的與驅(qū) 動(dòng)輪的接觸力，同時(shí)考慮驅(qū)動(dòng)輪脫開、熱膨脹、輪胎磨損等)。
例如，圍繞主軸布置的四個(gè)(4)永磁(PM)流體冷卻發(fā)生器(也可使用 像永磁空氣冷卻發(fā)電機(jī)、感應(yīng)發(fā)電機(jī)以及雙饋送感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的其它類型電發(fā)生 器。此外，根據(jù)風(fēng)輪機(jī)所要求的額定電功率，所使用的發(fā)生器數(shù)量可以多于或 少于該實(shí)例的特定數(shù)量)，其由摩擦驅(qū)動(dòng)器的輪胎直接驅(qū)動(dòng)。流體冷卻永磁發(fā) 生器是較佳的，因?yàn)樗鼈儽瓤諝饫鋮s永磁發(fā)生器體積小且成本低。
只要風(fēng)輪機(jī)情況在預(yù)定運(yùn)行范圍內(nèi)時(shí)，由于摩擦驅(qū)動(dòng)輪胎持續(xù)配合，各發(fā) 生器就會(huì)持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。但是，各發(fā)生器并不持續(xù)加載。而是，功率電子系統(tǒng)會(huì)與 根據(jù)可用風(fēng)動(dòng)力一致地加載發(fā)生器，并從而管理驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上的扭矩。當(dāng)加載各 發(fā)生器時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪將經(jīng)受恒定的徑向負(fù)載和變化的扭矩。
多個(gè)小型發(fā)生器在寬運(yùn)行范圍(包括偶爾的發(fā)生器停用狀態(tài))上提供相對(duì) 高的效率。大型發(fā)生器在寬運(yùn)行范圍上具有良好的效率，但它們的尺寸使得操 縱全功率風(fēng)輪機(jī)時(shí)它們呈現(xiàn)單個(gè)失效點(diǎn)。使用多個(gè)小型發(fā)生器通過將任何單次 失效的結(jié)果降低到單個(gè)發(fā)生器所代表的全功率的那一部分而提供運(yùn)行可靠性。 風(fēng)力農(nóng)場(chǎng)通過使用大量的風(fēng)輪機(jī)來實(shí)現(xiàn)應(yīng)對(duì)設(shè)備失效的這種保護(hù)。該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 通過在一個(gè)機(jī)艙內(nèi)包含多個(gè)發(fā)生器來實(shí)現(xiàn)冗余。對(duì)于設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的所有風(fēng)速， 多個(gè)小型發(fā)生器較佳地控制成僅在全功率時(shí)或接近全功率下運(yùn)行。這意味著， 各發(fā)生器將在其最大效率點(diǎn)或接近其最大效率點(diǎn)時(shí)運(yùn)行。
流體冷卻發(fā)生器需要冷卻器子系統(tǒng)來消除和消散由于發(fā)生器效率低下產(chǎn) 生的功率損失。
冷卻器子系統(tǒng)是具有單個(gè)回路的組合系統(tǒng)，而不是對(duì)每個(gè)發(fā)生器有單獨(dú)的 冷卻系統(tǒng)。機(jī)艙蓋(未示出)提供必要的通風(fēng)來支持用于冷卻系統(tǒng)的熱耗散。 對(duì)于較低的設(shè)計(jì)溫度，使用丙二醇和水冷卻劑流體來防止冷凍。
流體冷卻系統(tǒng)需要熱交換器來去除由發(fā)生器的效率低下產(chǎn)生的熱量，需要 泵來使流體運(yùn)動(dòng)，并需要簡單控制器和互鎖裝置來確保適當(dāng)運(yùn)行。如果使用空
氣冷卻PM發(fā)生器、感應(yīng)發(fā)生器或雙饋送發(fā)生器，則可免除使用冷卻系統(tǒng)。機(jī)
艙蓋必須設(shè)計(jì)成提供必要的通風(fēng)來消散由于發(fā)生器效率低下產(chǎn)生的功率損失。功率電子系統(tǒng)用于提供以下功能
-管理發(fā)生器扭矩和速度；發(fā)生器負(fù)載的控制使得能夠管理驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上的 發(fā)生器反向扭矩，
-將由發(fā)生器產(chǎn)生的可變頻率電力轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)電力同步的601^交流電，
以及
-控制由發(fā)生器提供的無功功率。
-提供功率電子系統(tǒng)以獨(dú)立控制每個(gè)發(fā)生器的輸出，或一起控制任何數(shù)量 的發(fā)生器。
功率電子系統(tǒng)(PE)由若干分開的元件構(gòu)成(見圖5):整流器、直流鏈 路以及逆變器。整流器將由發(fā)生器產(chǎn)生的可變交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓(即直 流鏈路電壓)。直流鏈路向逆變器提供穩(wěn)定的直流電壓。該逆變器產(chǎn)生與電網(wǎng)
同步或饋送到獨(dú)立總線的60Hz、 3cp電壓(或電流)。
控制系統(tǒng)包括安裝在機(jī)艙內(nèi)的PLC 1/0面板和DAS面板、安裝在塔架的 基底內(nèi)的驅(qū)動(dòng)控制面板以及位置控制建筑物內(nèi)的可視化計(jì)算機(jī)。PLC 1/0面板 將包含控制風(fēng)輪機(jī)所需要的所有1/0以及用于定速電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器。驅(qū) 動(dòng)面板會(huì)包含主VAC進(jìn)入電力和新耐麥克斯(Sinamics)驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)。遠(yuǎn)程安裝 標(biāo)準(zhǔn)桌面PC，以通過到PLC和數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)的無線以太網(wǎng)鏈路來控制/監(jiān)測(cè) 控制系統(tǒng)的運(yùn)行。較佳的是，將啟動(dòng)HMI (人機(jī)界面)計(jì)算機(jī)上的遠(yuǎn)程桌面功 能以使授權(quán)人員能夠通過英特計(jì)算機(jī)、便攜式PC或智能電話機(jī)或其它電子訪 問裝置來進(jìn)行完全遠(yuǎn)程訪問。較佳的是，硬接線的防火墻會(huì)限制用有效虛擬個(gè) 人網(wǎng)絡(luò)(VPN)登錄來登錄到網(wǎng)絡(luò)的人訪問以太網(wǎng)。
PM發(fā)生器扭矩和速度-由PM發(fā)生器產(chǎn)生的電壓頻率與發(fā)生器速度成正 比。發(fā)生器速度取決于風(fēng)輪機(jī)功率和發(fā)生器上的電負(fù)載。在穩(wěn)定狀態(tài)，從摩擦 驅(qū)動(dòng)器提供給發(fā)生器的扭矩等于由發(fā)生器提供的反向扭矩(即，可用于驅(qū)動(dòng)風(fēng) 輪機(jī)的功率等于由發(fā)生器從系統(tǒng)提取的功率)。但是，在風(fēng)或負(fù)載過渡期間，
這些扭矩會(huì)不平衡且風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)變化。
例如，如果風(fēng)輪機(jī)以50%的負(fù)載運(yùn)行且風(fēng)速增加，則風(fēng)輪機(jī)和發(fā)生器速 度將開始增加。由于有更多的風(fēng)力可用，所以PE將作出反應(yīng)以對(duì)電網(wǎng)提供更 多的電能且風(fēng)輪機(jī)速度將穩(wěn)定。通過控制PE使系統(tǒng)平衡的速率，PE系統(tǒng)可管理風(fēng)輪機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所經(jīng)受的扭矩漂移。
頻率、電壓以及無功功率控制-由PM發(fā)生器產(chǎn)生的電壓取決于發(fā)生器速 度和電負(fù)載。因此，在風(fēng)或負(fù)載過渡期間，發(fā)生器輸出電壓大小也將變化。為 了考慮變化的發(fā)生器電壓和頻率，受控的整流器用于將變化的交流電壓轉(zhuǎn)換成 穩(wěn)定直流電壓(即直流鏈路)。直流鏈路向受控的逆變器提供電壓。
該逆變器向電網(wǎng)或獨(dú)立的電力系統(tǒng)提供受控的60Hz三相電壓。用于PE
的總體控制方案將取決于單元是否在向電網(wǎng)(即，無限大容量母線)或本地、
獨(dú)立(或孤立的)電力系統(tǒng)提供電能。當(dāng)與電網(wǎng)并聯(lián)時(shí)，PE可控制提供給電 網(wǎng)的實(shí)際和無功功率。提供到電網(wǎng)的實(shí)際電力將決定發(fā)生器產(chǎn)生的電負(fù)載(即 扭矩)。
當(dāng)風(fēng)輪機(jī)在獨(dú)立的電力系統(tǒng)(即風(fēng)輪機(jī)是向系統(tǒng)提供電力的唯一發(fā)生器) 上運(yùn)行時(shí)，PE控制器必須保持總線電壓和頻率，同時(shí)遵循系統(tǒng)上的負(fù)載所要 求的功率。因?yàn)镻E不能直接控制負(fù)載需要的電力，所以需要其它控制元件。 風(fēng)輪機(jī)機(jī)械控制器還可用于控制從風(fēng)提取的動(dòng)力(控制螺距、偏轉(zhuǎn)或主制動(dòng) 器)。其它負(fù)載控制器也可能是必要的或理想的。例如，如果突然起陣風(fēng)或電 氣系統(tǒng)負(fù)載突然變化(例如顯著的電負(fù)載跳閘)，則可能需要具有電阻性負(fù)載 存儲(chǔ)體來"轉(zhuǎn)儲(chǔ)"過多的電能。同樣，如果電氣系統(tǒng)負(fù)載增加到超過可用風(fēng)力，
則可能需要負(fù)載泄放控制。
以下提供主要PE硬件的設(shè)計(jì)。
整流器-整流器包括再生反饋有源前端(AFE)，其為自換向、有源受控
線逆變器，該逆變器確保尤其高的線路供電質(zhì)量。
有源前端是專有特征，其尤其為風(fēng)輪機(jī)提供顯著的優(yōu)點(diǎn)。AFE產(chǎn)生幾乎
沒有任何諧波的線路友好正弦電流。這通過將智能切換特征與一體式清潔電力
過濾器組合來實(shí)現(xiàn)。此外，AFE切換原理使線路供電電壓波動(dòng)能夠被主動(dòng)補(bǔ)償，
并產(chǎn)生高的控制動(dòng)態(tài)性能。
AFE允許產(chǎn)生感生無功功率，使得功率因數(shù)可受到線路側(cè)逆變器的影響。 當(dāng)由于AFE的自換向運(yùn)行模式而發(fā)電時(shí)，不會(huì)發(fā)生逆變器換向故障。 直流鏈路-全數(shù)字電壓直流鏈路驅(qū)動(dòng)逆變器以高精確度運(yùn)行，可靠且高效。 逆變器-該逆變器單元額定用于45至10,000KW, 460、 575或690VAC運(yùn)行，裝備有低損失功率IGBT (絕緣柵雙極性晶體管)和微處理器控制的向量
調(diào)節(jié)器。逆變器會(huì)提供發(fā)生器控制和保護(hù)功能。(發(fā)生器可設(shè)有用于RPM反
饋和熱測(cè)量以及過載保護(hù)的編碼器和熱傳感器)。
風(fēng)輪機(jī)設(shè)有以下控制子系統(tǒng) -正常運(yùn)行控制器(啟動(dòng)、運(yùn)行和停機(jī))，
-安全系統(tǒng)(例如緊急停機(jī)、用于維護(hù)訪問的系統(tǒng)互鎖器)，
-偏轉(zhuǎn)控制器，以及
-螺距控制器。
控制系統(tǒng)較佳地用具有足夠容量的不間斷電源(UPS)供電以支持用于獨(dú)
立應(yīng)用的風(fēng)輪機(jī)的啟動(dòng)。UPS還將保護(hù)控制系統(tǒng)免受電力質(zhì)量變化產(chǎn)生的破壞。
該控制系統(tǒng)較佳地包括監(jiān)測(cè)和記錄所選擇系統(tǒng)參數(shù)的功能。但是，由數(shù)據(jù)
采集系統(tǒng)(DAS)操縱系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測(cè)的交替。
啟動(dòng)順序-風(fēng)輪機(jī)設(shè)計(jì)成在連接的電網(wǎng)上或獨(dú)立的電力系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行。啟動(dòng)
順序設(shè)計(jì)成一種順序可適應(yīng)兩種應(yīng)用。
當(dāng)風(fēng)速較佳地在4m/s至25m/s時(shí)，使風(fēng)輪機(jī)能夠如下地啟動(dòng) -啟用偏轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)并松開轉(zhuǎn)子上的制動(dòng) -啟用螺距機(jī)構(gòu)以將葉片轉(zhuǎn)動(dòng)到對(duì)應(yīng)于風(fēng)速的動(dòng)力位置。 -等到轉(zhuǎn)子速度大于風(fēng)輪機(jī)的最小運(yùn)行速度時(shí)，然后開始發(fā)電 -根據(jù)測(cè)得的風(fēng)速，1至n個(gè)發(fā)生器將以調(diào)節(jié)的扭矩控制方案聯(lián)機(jī)(n可以
是任何數(shù)量的發(fā)生器，例如1.5MW WT可使用六個(gè)發(fā)生器，每個(gè)發(fā)生器額定
功率為250KW)。在每個(gè)階段將使用最少使用的未聯(lián)機(jī)的發(fā)生器以確保各發(fā)
生器隨著時(shí)間的過去被均勻地使用。唯一的例外是，聯(lián)機(jī)的第二發(fā)生器總是
與第一發(fā)生器徑向相對(duì)。
-AFE開始以調(diào)節(jié)的頻率和電壓再向交流電力系統(tǒng)發(fā)電。 -如果使用水冷卻發(fā)電機(jī)，則在發(fā)電開始后IO秒啟動(dòng)冷卻劑泵。 -較佳的是，風(fēng)速的運(yùn)行范圍基于預(yù)定時(shí)間段內(nèi)的平均風(fēng)速。 正常運(yùn)行控制器-在正常運(yùn)行期間，當(dāng)來自風(fēng)輪機(jī)的可用動(dòng)能變化時(shí)，所
有的發(fā)生器都聯(lián)機(jī)/脫機(jī)。在陣風(fēng)期間，各發(fā)生器從最小速度運(yùn)行到最大速度(將根據(jù)轉(zhuǎn)子尺寸和設(shè)計(jì)確定最小和最大速度)，允許有某些超速?？烧{(diào)節(jié)扭矩使 得橡膠輪(輪胎)不在驅(qū)動(dòng)輪上滑動(dòng)。在突然和極度陣風(fēng)期間，各輪可能會(huì)滑 動(dòng)，但這僅是調(diào)節(jié)對(duì)各發(fā)生器所施加的扭矩的備用方法。諸如液壓泵、發(fā)生器 冷卻系統(tǒng)泵以及冷卻風(fēng)機(jī)的輔助系統(tǒng)通過風(fēng)輪機(jī)的運(yùn)行根據(jù)要求開始工作。
停機(jī)順序-在正常運(yùn)行期間，當(dāng)十分鐘內(nèi)平均風(fēng)速大于25m/s或小于4m/s 時(shí)，則風(fēng)輪機(jī)停機(jī)。螺距機(jī)構(gòu)會(huì)將各葉片轉(zhuǎn)動(dòng)到從風(fēng)收集的能量降低到最小的 位置。施加制動(dòng)且AFE停止發(fā)電。在正常停止期間主驅(qū)動(dòng)接觸器保持關(guān)閉。 在停機(jī)順序開始時(shí)，冷卻劑系統(tǒng)、液壓泵和偏轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)也停止。
發(fā)生器控制器-如上所述，功率電子系統(tǒng)控制發(fā)生器負(fù)載和速度。在過渡 期間該系統(tǒng)管理驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上的扭矩并使發(fā)生器負(fù)載與可變風(fēng)力匹配。在正常停 機(jī)期間主驅(qū)動(dòng)接觸器保持關(guān)閉，但在緊急停機(jī)或在發(fā)生電網(wǎng)連接故障時(shí)打開。
在設(shè)計(jì)中可提供以下安全致動(dòng)以確保機(jī)器故障、過大的風(fēng)或其它運(yùn)行條件 的情況下的安全運(yùn)行和停機(jī)
-主制動(dòng)器的手動(dòng)配合
-離心致動(dòng)的空氣動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)子葉稍制動(dòng)器
-偏轉(zhuǎn)制動(dòng)器
-在殘存風(fēng)速期間偏轉(zhuǎn)出風(fēng)向
-螺距系統(tǒng)致動(dòng)，以降低或消除從風(fēng)的動(dòng)力提取
-在以下任何一種情況下主制動(dòng)器自動(dòng)配合
-交流電力的損失 -轉(zhuǎn)子超速
-主電網(wǎng)(或負(fù)載存儲(chǔ)體)跳閘 -過度振動(dòng)
-風(fēng)速在正常運(yùn)行范圍以上(十分鐘平均值) -認(rèn)為是效率低下的偏轉(zhuǎn)控制(偏轉(zhuǎn)錯(cuò)配超過極限) -重置偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)(偏轉(zhuǎn)巻起內(nèi)部電纜且它們需要展開) -低冷卻劑(發(fā)生器冷卻劑液位) -低液壓流體(用于液壓松開制動(dòng)器) 主制動(dòng)控制器的各安全方面如下。需要主制動(dòng)器的遠(yuǎn)程手動(dòng)應(yīng)用。應(yīng)當(dāng)能夠從控制工位，在基部從塔架內(nèi)部，以及在塔架頂部的出口門處施加該制動(dòng)。 如果不在維修技工在機(jī)艙處或機(jī)艙附近工作之前施加制動(dòng)，則需要某些規(guī)定來 確保技工能感覺安全。主制動(dòng)器的自動(dòng)致動(dòng)將通過以上指出的幾種非正常情況 中的任何一種下觸發(fā)。
偏轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)用于將機(jī)艙轉(zhuǎn)入風(fēng)中。偏轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)通過偏轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器的交流齒輪 電動(dòng)機(jī)的高齒輪速比用作偏轉(zhuǎn)制動(dòng)器，或可使用獨(dú)立的偏轉(zhuǎn)制動(dòng)系統(tǒng)來提供必 要的制動(dòng)力以保持風(fēng)輪機(jī)機(jī)艙方向朝向風(fēng)中。
較佳地測(cè)量并跟蹤機(jī)艙的定向和風(fēng)向。在十分鐘風(fēng)向移動(dòng)平均值上，它們 之間的不匹配控制在IO。以內(nèi)。(每5秒進(jìn)行采樣)
為了防止內(nèi)部電纜巻繞，使機(jī)艙能夠從中間位置向兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)1080° (3整圈)。如果風(fēng)持續(xù)改向并發(fā)生巻繞，則風(fēng)輪機(jī)將停機(jī)且偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)會(huì)沿展 開方向接近匹配位置且最終位置應(yīng)當(dāng)在中間位置的±180°內(nèi)。僅在這時(shí)風(fēng)輪 機(jī)才可重新工作。
在該模式的風(fēng)輪機(jī)中，"偏轉(zhuǎn)維護(hù)位置端口"和"右舷"限制切換器用于 將機(jī)艙定向以進(jìn)行維護(hù)。選擇這些模式時(shí)，偏轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)會(huì)沿展開方向運(yùn)動(dòng)，直 到實(shí)現(xiàn)所要求的限制切換為止。 一旦塔架內(nèi)的維護(hù)門打開，則偏轉(zhuǎn)控制器就會(huì) 完全失效。
閉環(huán)控制裝置(基于軟件的)用于自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)輪機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，以保持其
在預(yù)定運(yùn)行曲線上，這將包括
-控制葉片螺距以適應(yīng)自由流風(fēng)速，提供最優(yōu)螺距角以傳送最佳功率。 -控制葉片螺距以在風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí)將風(fēng)輪機(jī)的功率輸出調(diào)節(jié)到額定 水平。
-控制葉片螺距以在風(fēng)輪機(jī)的啟動(dòng)或停機(jī)期間遵從預(yù)定速度坡度。 -使用電子電路控制發(fā)生器的加載，提供遞升和遞減的方法，通過發(fā)生器 的電加載和卸載而使產(chǎn)生的電能適應(yīng)可變風(fēng)速。
MMS數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)將讀取和記錄風(fēng)輪機(jī)控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行參數(shù)。
在狀態(tài)變化時(shí)持續(xù)采樣和記錄數(shù)據(jù)。
該系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)使操作者能夠選擇儀器采樣和記錄數(shù)據(jù)的頻率。 一般而言，以
一秒間隔記錄數(shù)據(jù)(估計(jì)每天的數(shù)據(jù)輸入為50MB或每年20GB)。此外，該系統(tǒng)能夠以高得多的頻率記錄所選擇的參數(shù)。
MMM-數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有高速數(shù)據(jù)傳輸能力(寬帶或無線DSL)以將 數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦こ虉F(tuán)隊(duì)。該數(shù)據(jù)程序本地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并每天傳輸數(shù)據(jù)。制定規(guī)則以 在發(fā)生數(shù)據(jù)鏈路故障時(shí)存儲(chǔ)所有數(shù)據(jù)而不傳輸。
此外，數(shù)據(jù)程序應(yīng)當(dāng)能夠幾乎實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)關(guān)鍵參數(shù)。
數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)-設(shè)置基本的工程工具(例如電子數(shù)據(jù)表或其它數(shù)據(jù)顯示)以
用于監(jiān)測(cè)風(fēng)輪機(jī)和解釋運(yùn)行期間由DAS提供的數(shù)據(jù)。
電源-DAS由無間斷電源供電，該電源具有足夠的容量以在風(fēng)輪機(jī)跳閘之 后能夠保存數(shù)據(jù)。UPS保護(hù)控制系統(tǒng)免受電力質(zhì)量變化產(chǎn)生的破壞。
以下提供較佳地設(shè)置在風(fēng)輪機(jī)內(nèi)并較佳地用控制系統(tǒng)或DAS監(jiān)測(cè)的儀器列表。
-天氣
-風(fēng)速
-風(fēng)向
-相對(duì)濕度
-環(huán)境溫度
-大氣壓
-降水量 -風(fēng)輪機(jī)
-螺距角
-偏轉(zhuǎn)角(相對(duì)于中間偏轉(zhuǎn)位置)(土3整圈)
-轉(zhuǎn)子速度
-輪胎速度(nx)
-輪胎負(fù)載(負(fù)載單元)(nx)
-輪胎溫度(nx)
-主制動(dòng)器松開壓力
-驅(qū)動(dòng)輪振動(dòng)
-發(fā)生器軸振動(dòng)(nx)
-轉(zhuǎn)子振動(dòng)-偏轉(zhuǎn)制動(dòng)位置 -塔架振動(dòng)(地震型傳感器) -機(jī)艙內(nèi)部溫度 -電力
-各個(gè)發(fā)生器溫度(nx) -各個(gè)發(fā)生器電壓(nx) -各個(gè)發(fā)生器電流(nx) -功率電子系統(tǒng)電壓輸出(nx)
-PE無功功率因數(shù)或電流(nx)
-PE頻率(nx)
-PE中間電壓(直流)(nx)
-功率
-VAR-變量？ -電網(wǎng) -冷卻劑 -流量 -液位 -溫度 -壓力 -制動(dòng)液壓 -壓力 -液位 -溫度
其中"II"是特定部件的數(shù)量
在機(jī)艙內(nèi)設(shè)有能夠升高、下降并移動(dòng)機(jī)艙內(nèi)最重的現(xiàn)場(chǎng)可更換部件的起重 機(jī)。PM發(fā)生器或驅(qū)動(dòng)輪軌道是鑒定為最重的部件。提升范圍是從地面到機(jī)艙 內(nèi)的部件位置。垂直提升量與塔架基部上方轂高度相似。
可手動(dòng)或電動(dòng)操作起重機(jī)。沒有諸如便攜發(fā)生器或本地電網(wǎng)的外部電源就 不能進(jìn)行電動(dòng)操作，這是因?yàn)楫?dāng)風(fēng)輪機(jī)不運(yùn)行時(shí)沒有可用的通用現(xiàn)場(chǎng)電源(且當(dāng)風(fēng)輪機(jī)運(yùn)行時(shí)不能使用起重機(jī))。
塔架提供風(fēng)輪機(jī)的升高和支承。還提供用于各種控制器功率電子系統(tǒng)、
DAS以及電氣系統(tǒng)的遮蔽件和安裝件。塔架基部處的內(nèi)徑足以進(jìn)行PE、控制 面板、DAS以及塔架內(nèi)電動(dòng)機(jī)控制中心的安裝。
基座是加固混凝土、表土受力結(jié)構(gòu)。對(duì)所有非致命風(fēng)速其反作用于傳送到 風(fēng)輪機(jī)的力和力矩。
當(dāng)風(fēng)速不足以克服轉(zhuǎn)動(dòng)葉片所需要的初始慣量時(shí)，可向發(fā)生器供電，且控 制裝置可編程成使發(fā)生器像電動(dòng)機(jī)那樣運(yùn)行，以在低風(fēng)狀態(tài)啟動(dòng)風(fēng)輪機(jī)。在低 風(fēng)狀態(tài)中，其中風(fēng)速不足以超過啟動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)所需要的力，但在轉(zhuǎn)動(dòng)啟動(dòng)后通 過機(jī)械裝置足以保持葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，通過用電啟動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)是有益的。在轉(zhuǎn)動(dòng)啟動(dòng)且轉(zhuǎn) 子(和葉片)以正常運(yùn)行范圍內(nèi)的速度轉(zhuǎn)動(dòng)之后，控制裝置就切斷供給到發(fā)生 器以使發(fā)生器像電動(dòng)機(jī)那樣運(yùn)行的電，且發(fā)生器可再次用作由保持葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的 風(fēng)能供能的發(fā)生器，并通過發(fā)生器發(fā)電。如果在通過使發(fā)生器像電動(dòng)機(jī)那樣使 用而啟動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)之后，風(fēng)不足以保持風(fēng)輪機(jī)運(yùn)行，則在由控制裝置切斷到發(fā)生器 的電時(shí)風(fēng)輪機(jī)就停轉(zhuǎn)。例如，兩兆瓦的風(fēng)輪機(jī)能夠在每秒四米的風(fēng)速下不進(jìn)入 電動(dòng)機(jī)模式就自啟動(dòng)，這樣的風(fēng)速提供足夠來自風(fēng)的能量以克服啟動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng) 所需要的初始慣量。如果風(fēng)速是每秒三米且風(fēng)速不足以啟動(dòng)葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)，但如 果葉片轉(zhuǎn)動(dòng)則足以保持轉(zhuǎn)動(dòng)，則當(dāng)使用作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的發(fā)生器來啟動(dòng)葉片的 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每秒三米的風(fēng)速將足以在切斷到發(fā)生器的供電之后保持葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，且 只要風(fēng)速持續(xù)該速度或大于該速度，葉片就繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)并通過發(fā)生器發(fā)電。該方 法使風(fēng)輪機(jī)能夠發(fā)電的風(fēng)速比其它方式能夠發(fā)電的風(fēng)速低。
各發(fā)生器可用作電中斷器，該中斷器具有高達(dá)150%的設(shè)計(jì)成用于發(fā)生器 的扭矩需求。該控制裝置可編程成停止發(fā)生器轉(zhuǎn)動(dòng)，這又將停止轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。該 扭矩需求僅需運(yùn)用數(shù)秒即可停止風(fēng)輪機(jī)。當(dāng)轉(zhuǎn)子速度為零時(shí)，該控制裝置將去 除該扭矩需求。在主中斷器失效的情況下，該電子中斷器為風(fēng)輪機(jī)增加另一安 全特征。例如，對(duì)于兩兆瓦的風(fēng)輪機(jī)，龜發(fā)生器額定功率為兩兆瓦，且各葉片 設(shè)計(jì)成傳送兩兆瓦的功率。通過在短時(shí)期內(nèi)對(duì)各發(fā)生器施加150%的扭矩需求， 風(fēng)輪機(jī)的中斷容量增加到三兆瓦，這足以使風(fēng)輪機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。
在另一實(shí)施例中，各發(fā)生器可設(shè)計(jì)成高于其額定負(fù)載運(yùn)行以適應(yīng)發(fā)生的超出風(fēng)輪機(jī)的正常運(yùn)行范圍的陣風(fēng)。例如，各發(fā)生器可設(shè)計(jì)成承受額定負(fù)載以上 120%的扭矩需求，從而控制轉(zhuǎn)子速度和避免暫時(shí)高于風(fēng)輪機(jī)的正常速度范圍 的風(fēng)速引起的超速。該控制裝置可編程成在轉(zhuǎn)子速度超過預(yù)設(shè)值或轉(zhuǎn)子速度的
加速坡速率超過預(yù)設(shè)值時(shí)，允許來自電發(fā)生器的120%的扭矩需求。該扭矩需
求僅施加數(shù)秒，且控制裝置會(huì)跟蹤轉(zhuǎn)子速度。如果驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的任何輪胎滑動(dòng)， 則由控制裝置將扭矩需求降低一半。例如，兩兆瓦的風(fēng)輪機(jī)裝備有對(duì)應(yīng)于風(fēng)自 由流速調(diào)節(jié)葉片角的螺距機(jī)構(gòu)，控制從風(fēng)提取的功率的量。會(huì)沒有警告地發(fā)生 陣風(fēng)，且風(fēng)速增加得比螺距系統(tǒng)能反應(yīng)的速度快。兩兆瓦的風(fēng)輪機(jī)能夠短時(shí)期
內(nèi)運(yùn)行高達(dá)2.4兆瓦(120%的扭矩需求)以克服陣風(fēng)，由此允許螺距機(jī)構(gòu)有反 應(yīng)時(shí)間。在又一實(shí)施例中，電發(fā)生器設(shè)計(jì)成短時(shí)期內(nèi)以150%的扭矩需求來運(yùn) 行以適應(yīng)陣風(fēng)。
圖3是示意圖。實(shí)際風(fēng)輪機(jī)的各葉片具有穿過各葉片的末端的周界，其直 徑比軌道的直徑大得多。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)輪機(jī)，包括安裝在轉(zhuǎn)子上的多個(gè)葉片，所述轉(zhuǎn)子具有可轉(zhuǎn)動(dòng)軸，所述可轉(zhuǎn)動(dòng)軸具有從其向外延伸的驅(qū)動(dòng)輪，當(dāng)所述葉片響應(yīng)于風(fēng)速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所述驅(qū)動(dòng)輪隨著所述軸和所述轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，所述轉(zhuǎn)子具有寬的速度范圍，多個(gè)輪與所述驅(qū)動(dòng)輪連續(xù)可轉(zhuǎn)動(dòng)地接觸，所述各輪連接成驅(qū)動(dòng)多個(gè)發(fā)生器以產(chǎn)生能量，所述風(fēng)輪機(jī)具有用于控制所述葉片速度的各種裝置，包括選自螺距、偏轉(zhuǎn)和制動(dòng)器構(gòu)成的組中的至少兩個(gè)，控制裝置連接成基于所述葉片的速度在零個(gè)所述發(fā)生器至所有所述發(fā)生器之間控制產(chǎn)生能量的發(fā)生器的數(shù)量，同時(shí)控制所述螺距、偏轉(zhuǎn)和制動(dòng)器中的至少兩個(gè)并監(jiān)測(cè)與所述葉片的所述速度相關(guān)的參數(shù)。
2. 如權(quán)利要求1所述的風(fēng)輪機(jī)，其特征在于，所述控制裝置連接成通過打開或關(guān)閉每個(gè)發(fā)生器來控制產(chǎn)生能量的發(fā)生器的數(shù)量，所述控制裝置連接成 監(jiān)測(cè)若干參數(shù)，包括風(fēng)速、風(fēng)向、偏轉(zhuǎn)位置、螺距位置、葉片速度、轉(zhuǎn)子速度 和時(shí)間。
3. 如權(quán)利要求2所述的風(fēng)輪機(jī)，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)輪具有圍繞其周 界的軌道，且所述各輪與所述軌道接觸。
4. 如權(quán)利要求3所述的風(fēng)輪機(jī)，其特征在于，所述軌道基本上平行于所 述軸的表面延伸。
5. 如權(quán)利要求2所述的風(fēng)輪機(jī)，其特征在于，所述控制裝置連接成當(dāng)轉(zhuǎn) 子速度在運(yùn)行范圍內(nèi)相應(yīng)地增加和減小到各個(gè)數(shù)量的產(chǎn)生能量的發(fā)生器相應(yīng) 的預(yù)定水平以上和以下時(shí)增加和去除產(chǎn)生能量的發(fā)生器。
6. 如權(quán)利要求3所述的風(fēng)輪機(jī)，其特征在于，所述控制裝置連接成使所 述多個(gè)發(fā)生器中的一個(gè)發(fā)生器在所述轉(zhuǎn)子以最小平均轉(zhuǎn)子速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生能 量，且所述多個(gè)發(fā)生器中的若干發(fā)生器在所述轉(zhuǎn)子以最大轉(zhuǎn)子速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生 能量。
7. 如權(quán)利要求5所述的風(fēng)輪機(jī)，其特征在于，所述控制裝置編程并連接 成當(dāng)所述平均轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超出所述運(yùn)行范圍預(yù)定時(shí)間時(shí)關(guān)閉所述風(fēng)輪機(jī)。
8. 如權(quán)利要求5所述的風(fēng)輪機(jī)，其特征在于，確定所述平均轉(zhuǎn)子速度至 少一分鐘的時(shí)間，且所述控制裝置連接成只要所述平均轉(zhuǎn)子速度超出所述運(yùn)行范圍就關(guān)閉所述風(fēng)輪機(jī)。
9. 如權(quán)利要求1所述的風(fēng)輪機(jī)，其特征在于，所述風(fēng)輪機(jī)具有最優(yōu)梢速比，所述控制裝置連接和編程成對(duì)于從每秒5米至每秒25米范圍的風(fēng)速基本上以所述最優(yōu)梢速比運(yùn)行所述風(fēng)輪機(jī)。
10. 如權(quán)利要求5所述的風(fēng)輪機(jī)，其特征在于，至少有四個(gè)發(fā)生器，所述 四個(gè)發(fā)生器連接成使所述控制裝置能夠單獨(dú)地打開和關(guān)閉所述發(fā)生器，并基于 平均轉(zhuǎn)子速度以產(chǎn)生能量的模式運(yùn)行任何數(shù)量的發(fā)生器。
11. 如權(quán)利要求IO所述的風(fēng)輪機(jī)，其特征在于，所述發(fā)生器發(fā)電。
12. 如權(quán)利要求1所述的風(fēng)輪機(jī)，其特征在于，每個(gè)發(fā)生器的尺寸明顯小于所述風(fēng)輪機(jī)的最大輸出，所述多個(gè)發(fā)生器的總尺寸能夠應(yīng)付所述風(fēng)輪機(jī)的最 大功率輸出。
13. 如權(quán)利要求1所述的風(fēng)輪機(jī)，其特征在于，所述控制裝置是可編程邏 輯控制裝置。
14. 如權(quán)利要求1所述的風(fēng)輪機(jī)，其特征在于，所述控制裝置是可在探測(cè) 到所監(jiān)測(cè)的參數(shù)變化的數(shù)秒內(nèi)調(diào)節(jié)螺距、偏轉(zhuǎn)和制動(dòng)器中至少一個(gè)的功率電子 控制裝置。
15. 如權(quán)利要求1所述的風(fēng)輪機(jī)，其特征在于，所述控制裝置是電子控制 裝置。
16. 如權(quán)利要求1所述的風(fēng)輪機(jī)，其特征在于，所述控制裝置是功率電子 系統(tǒng)，所述系統(tǒng)能夠進(jìn)行以下功能中的至少一種
17. (a)管理發(fā)生器扭矩和速度；(b) 控制每個(gè)發(fā)生器的負(fù)載并管理所述風(fēng)輪機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上的發(fā)生器反向扭矩；(c) 將由所述發(fā)生器產(chǎn)生的可變頻率電力轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)電力同步的60Hz 交流電；(d) 控制由所述各發(fā)生器提供的無功功率；(e) 控制來自每個(gè)發(fā)生器的輸出；(f) 控制來自任何數(shù)量的發(fā)生器合計(jì)的輸出。
18. 如權(quán)利要求1所述的風(fēng)輪機(jī)，其特征在于，所述功率電子系統(tǒng)包括整流器、直流鏈路和逆變器，所述整流器連接成將由所述各發(fā)生器產(chǎn)生的可變交 流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，所述直流鏈路連接成向所述逆變器提供穩(wěn)定的直流電 壓，所述逆變器產(chǎn)生頻率可與電網(wǎng)或饋送到獨(dú)立總線同步的三相電壓或電流。
19. 如權(quán)利要求17所述的風(fēng)輪機(jī)，其特征在于，所述電流是60Hz交流電 和50Hz交流電中的一者。
20. 如權(quán)利要求1所述的風(fēng)輪機(jī)，其特征在于，設(shè)有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所述 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于獲取和記錄所述風(fēng)輪機(jī)以及風(fēng)和天氣情況的運(yùn)行參數(shù)。
21. —種風(fēng)輪機(jī)，包括安裝在轉(zhuǎn)子上的多個(gè)葉片，所述轉(zhuǎn)子具有可轉(zhuǎn)動(dòng)軸， 所述可轉(zhuǎn)動(dòng)軸具有從其向外延伸的驅(qū)動(dòng)輪，當(dāng)所述葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所述驅(qū)動(dòng)輪隨著 所< 述軸和所述轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，所述轉(zhuǎn)子具有基于風(fēng)速的寬的速度范圍，多個(gè)輪與所 述驅(qū)動(dòng)輪連續(xù)可轉(zhuǎn)動(dòng)地接觸，所述各輪連接成驅(qū)動(dòng)多個(gè)發(fā)生器以產(chǎn)生電，所述 風(fēng)輪機(jī)不具有齒輪箱并以可變速度運(yùn)行以從所述發(fā)生器產(chǎn)生可與電網(wǎng)同步的 電力。
22. —種運(yùn)行風(fēng)輪機(jī)的方法，所述風(fēng)輪機(jī)包括安裝在轂上以形成轉(zhuǎn)子的多 個(gè)葉片，所述轉(zhuǎn)子安裝在其上具有驅(qū)動(dòng)輪的軸上，多個(gè)輪與所述驅(qū)動(dòng)輪可轉(zhuǎn)動(dòng) 地接觸，所述各輪連接成驅(qū)動(dòng)多個(gè)發(fā)生器以產(chǎn)生電，所述風(fēng)輪機(jī)具有用于控制 所述轉(zhuǎn)子的速度的各種裝置，包括選自螺距控制器、偏轉(zhuǎn)控制器和制動(dòng)器構(gòu)成 的組中的至少兩個(gè)，控制裝置連接成基于所述轉(zhuǎn)子的速度控制發(fā)電的發(fā)生器的 數(shù)量，所述方法包括對(duì)所述控制裝置編程以監(jiān)測(cè)風(fēng)速、風(fēng)向、轉(zhuǎn)子速度、偏轉(zhuǎn) 方向、制動(dòng)器和螺距之一、發(fā)生器的數(shù)量、當(dāng)前發(fā)電的發(fā)生器的數(shù)量、轉(zhuǎn)子軸 的扭矩，所述方法包括開始啟動(dòng)，當(dāng)在預(yù)定最小時(shí)段內(nèi)平均風(fēng)速在運(yùn)行范圍內(nèi) 時(shí)所述控制裝置松開所述轉(zhuǎn)子以進(jìn)行加速，當(dāng)所述轉(zhuǎn)子達(dá)到所要求的最小速度 時(shí)，所述控制裝置對(duì)第一發(fā)生器上施加負(fù)載，當(dāng)所述轉(zhuǎn)子軸的扭矩乘以發(fā)生器 的總數(shù)除以啟用發(fā)生器的數(shù)量大于用于分階段引入添加的發(fā)生器的預(yù)定最小 扭矩時(shí)，所述控制裝置分階段引入添加的發(fā)生器，而當(dāng)所述轉(zhuǎn)子軸的扭矩乘以 發(fā)生器的總數(shù)除以啟用發(fā)生器的數(shù)量小于用于分階段停用一個(gè)發(fā)生器所需要 的預(yù)定最小扭矩時(shí)，所述控制裝置分階段停用一個(gè)發(fā)生器，所述控制裝置根據(jù) 所述轉(zhuǎn)子軸的扭矩和發(fā)電的發(fā)生器的數(shù)量根據(jù)需要分階段引入和停用各發(fā)生 器，當(dāng)所述轉(zhuǎn)子軸的所述扭矩低于運(yùn)行一個(gè)發(fā)生器的預(yù)定最小值時(shí)，所述控制裝置分階段停用最后的啟用發(fā)生器并停止所述轉(zhuǎn)子和各發(fā)生器，以及，當(dāng)預(yù)定 時(shí)間內(nèi)的平均風(fēng)速大于最大預(yù)定風(fēng)速時(shí)，所述控制裝置停止所述轉(zhuǎn)子并分階段 停用所有的發(fā)生器，當(dāng)所述風(fēng)速在所述運(yùn)行范圍內(nèi)增加時(shí)所述控制裝置對(duì)添加 的發(fā)生器上施加負(fù)載，且當(dāng)所述風(fēng)速在所述運(yùn)行范圍內(nèi)減小時(shí)從添加的發(fā)生器 去除所述負(fù)載，所述控制裝置在從運(yùn)行一個(gè)發(fā)生器所需要的最小轉(zhuǎn)子速度至運(yùn) 行所有發(fā)生器所需要的最大轉(zhuǎn)子速度的寬范圍內(nèi)運(yùn)行所述風(fēng)輪機(jī)以產(chǎn)生能量。
23. —種運(yùn)行風(fēng)輪機(jī)的方法，所述風(fēng)輪機(jī)包括安裝在轂上以形成轉(zhuǎn)子的多 個(gè)葉片，所述轉(zhuǎn)子安裝在軸上，所述軸上具有驅(qū)動(dòng)輪，多個(gè)輪與所述驅(qū)動(dòng)輪可 轉(zhuǎn)動(dòng)地接觸，所述各輪連接成驅(qū)動(dòng)多個(gè)發(fā)生器以產(chǎn)生電，所述風(fēng)輪機(jī)具有用于控制所述轉(zhuǎn)子的速度的各種裝置，所述方法包括將所述控制裝置連接成監(jiān)測(cè) 與風(fēng)速、風(fēng)向和所述驅(qū)動(dòng)輪的速度相關(guān)的若干參數(shù)，將所述控制裝置連接成響 應(yīng)于所述參數(shù)中一個(gè)或多個(gè)的變化來調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)度、螺距、制動(dòng)器、以及發(fā)電的 發(fā)生器的數(shù)量中的一個(gè)或多個(gè)，將所述控制裝置編程以調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)、螺距、制動(dòng) 器中的任何兩個(gè)，以控制所述驅(qū)動(dòng)輪的速度，并在所述驅(qū)動(dòng)輪的所述速度分別 增加或減少足夠量時(shí)增加和減少發(fā)電的發(fā)生器的數(shù)量，從而以保證所述增加或 減少。
24. 如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟將所述控制裝置連接和編程成當(dāng)所述軸要求的扭矩乘以發(fā)生器的總數(shù)的乘積除以當(dāng)前發(fā)電的發(fā)生器的數(shù)量大于預(yù)定扭矩設(shè)定點(diǎn)值的95%時(shí)，使一個(gè)添加的發(fā)生器發(fā)電，且當(dāng)所述軸要求的扭矩乘以發(fā)生器的總數(shù)除以發(fā)電的發(fā)生器的數(shù)量小于所述預(yù)定扭矩設(shè)定點(diǎn)值的90%時(shí)，從所述各發(fā)電的發(fā)生器中去除一個(gè)發(fā)生器。
25. 如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，包括運(yùn)行所述風(fēng)輪機(jī)以臨 時(shí)將動(dòng)能儲(chǔ)存在所述轉(zhuǎn)動(dòng)的葉片內(nèi)的步驟。
26. 如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，所述控制裝置是功率電子 系統(tǒng)，所述方法包括運(yùn)行具有可變速發(fā)生器的所述風(fēng)輪機(jī)還向電網(wǎng)傳送同步電 力的步驟。
27. 如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，包括以下步驟基于風(fēng)況 控制所述偏轉(zhuǎn)和螺距以增加所述轉(zhuǎn)子的速度，從而以可能的最高速率運(yùn)行所述 風(fēng)輪機(jī)，以在所述風(fēng)輪機(jī)的運(yùn)行范圍內(nèi)產(chǎn)生盡可能多的電力。
28. 如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，所述方法包括在寬范圍內(nèi) 以變速運(yùn)行所述風(fēng)輪機(jī)，所述發(fā)生器產(chǎn)生變頻交流電流，使用功率電子系統(tǒng)將 所述交流電流以基本上恒定的頻率連接到最終產(chǎn)品交流電流，將所述最終產(chǎn)品 交流電流饋送到電網(wǎng)。
29. 如權(quán)利要求1、 2和3中的任一項(xiàng)所述的風(fēng)輪機(jī)，其特征在于，所述 盤的直徑顯著比所述葉片的直徑小。
30. —種運(yùn)行風(fēng)輪機(jī)的方法，所述風(fēng)輪機(jī)包括安裝在轂上以形成轉(zhuǎn)子的多 個(gè)葉片，所述轉(zhuǎn)子安裝在軸上，所述軸上具有驅(qū)動(dòng)輪，多個(gè)輪與所述驅(qū)動(dòng)輪可 轉(zhuǎn)動(dòng)地接觸，所述各輪連接成驅(qū)動(dòng)多個(gè)發(fā)生器以產(chǎn)生電，所述風(fēng)輪機(jī)具有用于 控制所述轉(zhuǎn)子的速度的各種裝置，所述各發(fā)生器連接到電源以像電動(dòng)機(jī)那樣運(yùn) 行所述各發(fā)生器，所述方法包括(a) 將所述控制裝置連接成監(jiān)測(cè)與風(fēng)速、風(fēng)向、所述驅(qū)動(dòng)輪的速度有關(guān) 的若干參數(shù)，將所述控制裝置連接成響應(yīng)于所述參數(shù)中一個(gè)或多個(gè)的變化來調(diào) 節(jié)偏轉(zhuǎn)、螺距、制動(dòng)器、發(fā)生器扭矩需求以及產(chǎn)生能量的發(fā)生器的數(shù)量中的一 個(gè)或多個(gè)；(b) 將所述控制裝置編程成確定所述風(fēng)速何時(shí)足以轉(zhuǎn)動(dòng)所述葉片，但不 足以克服啟動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)所述葉片所需要的力，然后所述控制裝置向所述發(fā)生器供電 并使發(fā)生器像電動(dòng)機(jī)那樣運(yùn)行，從而啟動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)所述葉片，直到所述風(fēng)輪機(jī)達(dá)到 運(yùn)行速度范圍為止。
31. 如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，包括當(dāng)所述風(fēng)輪機(jī)達(dá)到運(yùn) 行速度范圍時(shí)，關(guān)閉所述電動(dòng)機(jī)并使用所述發(fā)生器作為發(fā)生器來從所述風(fēng)輪機(jī) 的所述轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生電的步驟。
32. 如權(quán)利要求31中所述的運(yùn)行風(fēng)輪機(jī)的方法，其特征在于，包括將所 述控制裝置編程成使用所述發(fā)生器作為具有高達(dá)150%扭矩需求的電制動(dòng)器， 以停止所述風(fēng)輪機(jī)并在所述風(fēng)輪機(jī)停止時(shí)終止所述扭矩需求。
33. 如權(quán)利要求30中所述的運(yùn)行風(fēng)輪機(jī)的方法，其特征在于，包括將所 述控制裝置編程成能夠以高于額定的負(fù)載使用所述發(fā)生器以克服短時(shí)間內(nèi)扭 矩需求為所述額定負(fù)載的至少120%的陣風(fēng)。
34. 如權(quán)利要求33中所述的運(yùn)行風(fēng)輪機(jī)的方法，其特征在于，包括將所述控制裝置編程成在高速陣風(fēng)期間以短時(shí)段內(nèi)高達(dá)所述額定負(fù)載150%的扭矩 需求運(yùn)行所述發(fā)生器。
35. —種運(yùn)行風(fēng)輪機(jī)的方法，所述風(fēng)輪機(jī)包括安裝在轂上以形成轉(zhuǎn)子的多 個(gè)葉片，所述轉(zhuǎn)子安裝在軸上，所述軸上具有驅(qū)動(dòng)輪，多個(gè)輪與所述驅(qū)動(dòng)輪可 轉(zhuǎn)動(dòng)地接觸，所述各輪連接成驅(qū)動(dòng)多個(gè)發(fā)生器以產(chǎn)生電，所述發(fā)生器能夠以高 達(dá)150%的扭矩需求運(yùn)行，所述風(fēng)輪機(jī)具有用于控制所述轉(zhuǎn)子速度的各種裝置， 所述風(fēng)輪機(jī)具有控制裝置以監(jiān)測(cè)與風(fēng)速、風(fēng)向和所述驅(qū)動(dòng)輪的速度有關(guān)的若干 參數(shù)，所述方法包括將所述控制裝置編程成使用所述各發(fā)生器作為具有高達(dá) 150%扭矩需求的電制動(dòng)器，以停止所述風(fēng)輪機(jī)并在所述風(fēng)輪機(jī)停止后中斷所 述扭矩需求。
36. —種運(yùn)行風(fēng)輪機(jī)的方法，所述風(fēng)輪機(jī)包括安裝在轂上以形成轉(zhuǎn)子的多 個(gè)葉片，所述轉(zhuǎn)子安裝在軸上，所述軸上具有驅(qū)動(dòng)輪，多個(gè)輪與所述驅(qū)動(dòng)輪可 轉(zhuǎn)動(dòng)地接觸，所述各輪連接成驅(qū)動(dòng)多個(gè)發(fā)生器以產(chǎn)生電，所述發(fā)生器能夠以高 于額定的負(fù)載運(yùn)行，所述風(fēng)輪機(jī)具有用于控制所述轉(zhuǎn)子速度的各種裝置，所述 風(fēng)輪機(jī)具有控制裝置以監(jiān)測(cè)與風(fēng)速、風(fēng)向和所述驅(qū)動(dòng)輪的速度有關(guān)的若干參數(shù)，所述方法包括將所述控制裝置編程成以高于額定的負(fù)載的扭矩需求使用所 述各發(fā)生器以克服否則會(huì)使所述轉(zhuǎn)子的速度高于最大運(yùn)行速度的陣風(fēng)。
37. 如權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于，包括將所述控制裝置編程 成以高達(dá)120%的扭矩需求的高于額定的負(fù)載運(yùn)行所述發(fā)生器。
38. 如權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于，包括將所述控制裝置編程 成以高達(dá)150%的扭矩需求的高于額定的負(fù)載運(yùn)行所述發(fā)生器。
全文摘要
一種風(fēng)輪機(jī)及其運(yùn)行方法使用多個(gè)發(fā)生器和控制裝置以基于各種參數(shù)控制風(fēng)輪機(jī)的運(yùn)行。各發(fā)生器小于風(fēng)輪機(jī)的總功率容量，且控制裝置基于轉(zhuǎn)子速度增加更多的發(fā)生器或去除發(fā)生器。風(fēng)輪機(jī)運(yùn)行時(shí)，控制裝置加載和卸載連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的發(fā)生器。
文檔編號(hào)F03D7/00GK101688517SQ200880008697
公開日2010年3月31日 申請(qǐng)日期2008年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月17日
發(fā)明者B·A·卡梅隆, C·W·哈里斯, G·佩斯特卡, J·L·簡特茲, J·P·貝蒂, M·魁科恩斯特德特, N·J·尼科爾森, N·拿耶夫, P·H·F·梅斯沃克, P·陳 申請(qǐng)人:新世界一代股份有限公司